Polvere fine - più pericolosa di quanto si pensi

È noto che le polveri sottili possono mettere in pericolo la salute. Le particelle con un diametro massimo di 10 micrometri possono penetrare in profondità nel tessuto polmonare e stabilirvisi. Contengono composti reattivi dell'ossigeno (ROS), chiamati anche "radicali dell'ossigeno", che possono danneggiare le cellule dei polmoni. Più particelle sospese nell'aria, più alto è il rischio. È vero che le particelle entrano nell'aria anche da fonti naturali come le foreste o i vulcani. Ma le attività umane, per esempio nelle fabbriche e nel traffico, moltiplicano la quantità in modo da raggiungere concentrazioni allarmanti. Il potenziale delle polveri sottili di portare i radicali di ossigeno nei polmoni o di generarli lì è già stato studiato per varie fonti. I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) hanno ora acquisito nuove importanti intuizioni al riguardo.

Ricerche precedenti hanno dimostrato che alcuni ROS si formano nel corpo umano quando il particolato si dissolve nel fluido superficiale delle vie respiratorie. Il particolato di solito contiene componenti chimici, come metalli come rame e ferro, e alcuni composti organici. Questi scambiano atomi di ossigeno con altre molecole e si formano composti molto reattivi come perossido di idrogeno (H2O2), idrossile (HO) o idroperossile (HO2), che causano il cosiddetto stress ossidativo. Per esempio, attaccano gli acidi grassi insaturi nel corpo, che non possono più servire come mattoni delle cellule. I medici attribuiscono la polmonite, l'asma e varie altre malattie respiratorie a tali processi. Anche il cancro potrebbe essere innescato, poiché i ROS possono anche danneggiare il materiale genetico DNA. 

Nuove intuizioni grazie alla combinazione unica di dispositivi

È noto da tempo che alcune specie di ROS sono già presenti nelle polveri sottili dell'atmosfera ed entrano nel nostro corpo come cosiddetti ROS esogeni attraverso l'aria che respiriamo, senza doversi prima formare lì. Ora si scopre che non abbiamo guardato abbastanza da vicino: "Gli studi precedenti hanno utilizzato spettrometri di massa per analizzare ciò che le polveri sottili sono costituite", spiega Peter Aaron Alpert, autore principale del nuovo studio del PSI. "Ma questo non ti dà alcuna informazione sulla struttura delle singole particelle e su quello che succede al loro interno".

Alpert, invece, ha utilizzato le strutture del PSI per uno sguardo più preciso: "Con la brillante luce a raggi X della Swiss Synchrotron Light Source SLS, non solo siamo stati in grado di vedere tali particelle individualmente con una risoluzione inferiore al micrometro, ma anche di guardare al loro interno mentre le reazioni avvenivano al loro interno". Per fare questo, ha anche usato un nuovo tipo di cella sviluppata al PSI in cui una grande varietà di condizioni ambientali atmosferiche può essere simulata. Può regolare con precisione la temperatura, l'umidità e l'esposizione ai gas, e una fonte di luce UV LED imita la radiazione solare. "Questa combinazione - microscopio a raggi X ad alta risoluzione e cella - esiste solo una volta al mondo", dice Alpert. Lo studio era quindi possibile solo al PSI. Ha lavorato a stretto contatto con Markus Ammann, capo del gruppo di chimica delle superfici al PSI. È stato anche supportato da ricercatori guidati dai chimici atmosferici Ulrich Krieger e Thomas Peter all'ETH di Zurigo, dove sono stati effettuati ulteriori esperimenti con particelle tenute in sospensione, così come da esperti guidati da Hartmut Hermann dell'Istituto Leibniz per la ricerca troposferica a Lipsia.

Come si formano i composti pericolosi

I ricercatori hanno esaminato particelle con componenti organici e ferro. Il ferro proviene da fonti naturali come la polvere del deserto o la cenere vulcanica, ma è anche presente nelle emissioni dell'industria e del traffico. I componenti organici derivano anche da fonti naturali e artificiali. Nell'atmosfera, questi componenti si combinano per formare complessi di ferro, che poi reagiscono sotto la radiazione solare per formare i cosiddetti radicali. Questi a loro volta legano tutto l'ossigeno disponibile e producono così i composti dell'ossigeno.

Normalmente, una parte maggiore di questi ROS si diffonderebbe dalle particelle nell'aria con il calore del sole e non costituirebbe più un pericolo quando respiriamo le particelle, che quindi contengono meno ROS. Se le condizioni sono giuste, però, i radicali si accumulano all'interno delle particelle e consumano tutto l'ossigeno disponibile in pochi secondi. E questo è dovuto alla cosiddetta viscosità: le polveri sottili possono essere solide come la pietra o liquide come l'acqua - ma a seconda della temperatura e dell'umidità, possono anche essere viscose come lo sciroppo, la gomma da masticare o lo zucchero svizzero alle erbe. "Questo stato della particella, abbiamo scoperto, assicura che i ROS rimangano intrappolati nella particella", dice Alpert. E non entra nemmeno altro ossigeno dall'esterno.

Ciò che è particolarmente spaventoso è che a causa dell'interazione del ferro e dei composti organici, le più alte concentrazioni di ROS si formano in condizioni atmosferiche quotidiane: con un'umidità media del 50 per cento e temperature intorno ai 20 gradi, come quelle che si trovano al chiuso. "Si pensava che i ROS nell'aria si formassero solo - se mai - quando le particelle di polvere fine contenevano composti relativamente rari come i chinoni", dice Alpert. Si tratta di fenoli ossidati che si trovano, per esempio, nelle tinture di piante e funghi. Recentemente è diventato chiaro che molte altre fonti di ROS sono presenti nelle polveri sottili. "Come abbiamo scoperto ora, queste fonti note di ROS possono essere significativamente amplificate in condizioni completamente quotidiane". Circa una particella su venti è organica e contiene ferro.

Ma non è tutto: "Supponiamo che le stesse reazioni fotochimiche abbiano luogo anche in altre particelle di polvere fine", dice il leader del gruppo di ricerca Markus Ammann. "Abbiamo anche il sospetto che quasi tutte le particelle trasportate dall'aria formino radicali aggiuntivi in questo modo", aggiunge Alpert. Se questo è confermato da ulteriori studi, dobbiamo urgentemente aggiustare i nostri modelli e i valori limite relativi alla qualità dell'aria". Potremmo aver trovato qui un fattore aggiuntivo per il fatto che così tante persone si ammalano di malattie respiratorie o di cancro apparentemente senza alcuna causa concreta".

Dopo tutto, i ROS - soprattutto in tempi di pandemia di COVID-19 - hanno anche i loro buoni punti, come suggerisce anche lo studio: Attaccano anche batteri, virus e altri agenti patogeni seduti sugli aerosol e li rendono innocui. Questa connessione potrebbe spiegare perché il virus Sars-CoV-2 sopravvive più brevemente in aria a temperatura ambiente e umidità media.